二次調(diào)節(jié)技術(shù)的主動(dòng)升沉補(bǔ)償教學(xué)設(shè)計(jì)
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摘要：利用基于二次調(diào)節(jié)技術(shù)的主動(dòng)升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)為輪機(jī)工程專業(yè)配套的在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)，鋼絲繩動(dòng)態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)以及主動(dòng)升沉補(bǔ)償綜合實(shí)驗(yàn)。此三實(shí)驗(yàn)涉及了前饋控制，狀態(tài)觀測器設(shè)計(jì)方法等現(xiàn)代自動(dòng)控制理論的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包含了Matlab編程、仿真、實(shí)操驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)具有學(xué)科前沿性，在深化和鞏固所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的過程中能夠全方位地鍛煉學(xué)生的科研能力。
關(guān)鍵詞：主動(dòng)升沉補(bǔ)償；二次調(diào)節(jié)；波浪預(yù)報(bào)；狀態(tài)觀測器
長期以來，高校實(shí)驗(yàn)室一直是培育優(yōu)秀創(chuàng)新人才的載體和核心基地[1]。對于理工學(xué)科而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也是將所學(xué)知識(shí)和實(shí)際問題相結(jié)合的重要途徑[2]。輪機(jī)工程涉及機(jī)、電、液、光等多個(gè)學(xué)科，具有顯著的學(xué)科交叉性和復(fù)雜性，與快速發(fā)展的海洋工程現(xiàn)狀相比，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)施尚不能滿足高水平創(chuàng)新人才的培養(yǎng)要求。因此，讓該專業(yè)學(xué)生接觸海洋工程裝備前沿領(lǐng)域，促使其結(jié)合所掌握的基本控制理論，進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐教學(xué)勢在必行。
本文旨在設(shè)計(jì)三種與輪機(jī)工程前沿技術(shù)——主動(dòng)升沉補(bǔ)償有關(guān)的實(shí)驗(yàn)：在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)，鋼絲繩動(dòng)態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)升沉補(bǔ)償綜合實(shí)驗(yàn)。通過進(jìn)行該三種實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生接觸到輪機(jī)工程的科研前沿，有助于啟迪其創(chuàng)新思維，提高其綜合應(yīng)用知識(shí)的能力以及掌握相關(guān)領(lǐng)域的基本研究方法。
一、背景知識(shí)
對起重機(jī)母船所受的升沉干擾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，用以保證吊裝作業(yè)在升沉方向上平穩(wěn)可靠進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，稱為升沉補(bǔ)償系統(tǒng)（HeaveCompensation）?？偟膩碚f，現(xiàn)存在兩種升沉補(bǔ)償方法，即被動(dòng)升沉補(bǔ)償（Pas⁃siveHeaveCompensation,PHC）以及主動(dòng)升沉補(bǔ)償（Ac⁃tiveHeaveCompensation,AHC）[3-4]。
主動(dòng)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、慣導(dǎo)、控制器及動(dòng)力源組成?？刂破饔糜诮邮諔T導(dǎo)所測得的母船實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)算法預(yù)報(bào)出負(fù)載下一時(shí)刻的升沉位移，繼而執(zhí)行元件輸出一個(gè)與該升沉位移等大反向的運(yùn)動(dòng)，消除波浪對負(fù)載升沉方向上的運(yùn)動(dòng)干擾，從而完成補(bǔ)償任務(wù)。主動(dòng)型升沉補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償精度高、適應(yīng)性好，且可以結(jié)合復(fù)雜的控制策略進(jìn)行防晃、入水同步等多方面的控制，大大提高了補(bǔ)償效果。
二次調(diào)節(jié)技術(shù)是指在恒壓網(wǎng)絡(luò)中通過調(diào)節(jié)二次單元（液壓馬達(dá)/液壓泵）的斜盤傾角來改變二次單元的排量，以適應(yīng)負(fù)載的變化，從而使負(fù)載按設(shè)定的規(guī)律變化的一種液壓技術(shù)。利用該技術(shù)，可以使二次單元工作在“液壓馬達(dá)”工況或者“液壓泵”工況。當(dāng)二次單元工作在“液壓馬達(dá)”工況時(shí)，由于進(jìn)出口壓力恒定，因此二次單元的輸出轉(zhuǎn)矩便與其排量成正比；當(dāng)二次單元工作在“液壓泵”工況時(shí)，在負(fù)載拖動(dòng)下，二次單元反轉(zhuǎn)，液壓油便回流到液壓網(wǎng)絡(luò)，由高壓蓄能器回收，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)。采用二次調(diào)節(jié)技術(shù)能夠有效降低主動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)哪芎摹?/p>
本文將基于二次調(diào)節(jié)的主動(dòng)升沉補(bǔ)償技術(shù)引入輪機(jī)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)，鋼絲繩動(dòng)態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)以及主動(dòng)升沉補(bǔ)償綜合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前必須查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，掌握一定的主動(dòng)升沉補(bǔ)償知識(shí)；然后進(jìn)行模型的搭建與仿真，在理論上證實(shí)可行之后方可在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上操作驗(yàn)證，最后撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。此三種實(shí)驗(yàn)有益于培養(yǎng)學(xué)生的科研思維、資料檢索能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。
二、主動(dòng)升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
利用二次調(diào)節(jié)技術(shù)，我校搭建了以二次單元為核心部件的主動(dòng)升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要硬件包括：二次單元（即液壓馬達(dá)/泵）及二次單元控制器（HNC）、六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)、工控機(jī)、EtherCAT耦合器和IO接線端子、編碼器、溫度傳感器、銷軸力傳感器和液位傳感器等。
工控機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，安裝有TwinCAT、Mat⁃lab、Simulink等自動(dòng)控制常用軟件,且搭載有TwinCATTE1400代碼編譯器，在對Simulink程序稍作修改之后，該軟件模塊可將程序轉(zhuǎn)化為控制軟件—TwinCAT所能夠識(shí)別的代碼，降低了學(xué)生對編程能力的要求。4實(shí)驗(yàn)臺(tái)操作面板實(shí)驗(yàn)裝置工作原理大致如下：工控機(jī)將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給嵌入式控制器，隨后嵌入式控制器控制六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，使之模擬因波浪運(yùn)動(dòng)而引起的艦船在六個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。在手動(dòng)模式下，可通過安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的手柄直接控制二次單元正反轉(zhuǎn)，由此控制負(fù)載的上升與下降。
在主動(dòng)升沉補(bǔ)償模式（AHC模式）下，安裝在六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)中的下位機(jī)會(huì)將六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)姿態(tài)發(fā)送給工控機(jī)，而工控機(jī)便會(huì)通過AR模型[5]在線預(yù)報(bào)六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)升沉方向上的位移，利用該信息計(jì)算出負(fù)載下一時(shí)刻的升沉位移。隨后HNC控制器控制二次單元的伺服閥，改變二次單元的液壓缸活塞位移，從而改變二次單元排量，驅(qū)動(dòng)絞車正反轉(zhuǎn)，消除六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)對負(fù)載的干擾，以達(dá)到主動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>
三、在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)
（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
波浪預(yù)報(bào)的意義在于克服系統(tǒng)的時(shí)滯，從而保證控制器能夠較好地完成補(bǔ)償任務(wù)。波浪補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谧寣W(xué)生利用AR模型編寫海浪升沉預(yù)報(bào)程序，并在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證其預(yù)報(bào)效果。此實(shí)驗(yàn)鍛煉了學(xué)生的資料檢索能力以及程序編寫能力。
（二）實(shí)驗(yàn)原理
就本實(shí)驗(yàn)而言，波浪預(yù)報(bào)算法存在很多，如自回歸模型（AR，AutoRegressive），自動(dòng)回歸滑動(dòng)模型（ARMA，AutoRegressiveandMovingAverageModel）以及滑動(dòng)平均模型（MA，MovingAverageModel）等[6]。考慮到篇幅限制，這里僅挑選AR模型做介紹。AR模型可以如下表述：時(shí)間序列上的任何一個(gè)值都可以由過去P個(gè)時(shí)刻上的數(shù)值的線性組合加上該時(shí)刻的一個(gè)隨機(jī)數(shù)[7]。先求出向量a的最小二乘估計(jì)a ̂，接著定義最大階數(shù)M，針對p=1,2,...,M的每一個(gè)值都計(jì)算出AR模型的殘差平方和，然后再計(jì)算出每一個(gè)模型的AIC準(zhǔn)則數(shù)Sp(N)，具體公式為：AIC(p)=ln[Sp(N)/N]+2p/N（3-2）其中：Sp(N)為模型的殘差。最終選取AIC準(zhǔn)則數(shù)最小的模型的p值作為選定階數(shù)。利用所定階數(shù)p和估計(jì)的系數(shù)向量a ̂預(yù)報(bào)x̂(N+l)，其中整數(shù)l>0。
（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
學(xué)生應(yīng)預(yù)先查閱相關(guān)資料，根據(jù)算法預(yù)報(bào)效果，算法實(shí)現(xiàn)難度等特性自主選定預(yù)報(bào)算法，并利用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行該算法的編寫。
教師應(yīng)預(yù)先給定三組波浪數(shù)據(jù)，這些波浪數(shù)據(jù)的浪高應(yīng)該有所區(qū)別。學(xué)生可利用該組數(shù)據(jù)分別設(shè)定不同的超前時(shí)間進(jìn)行仿真，從而比較在不同浪高數(shù)據(jù)下，不同超前時(shí)間下預(yù)報(bào)算法的仿真預(yù)報(bào)效果。
學(xué)生向教師上交搭建好的程序以及仿真結(jié)果，在經(jīng)過教師確認(rèn)可行并同意之后，學(xué)生方可將已建立好的模型上傳到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工控機(jī)之中。并利用TE1400代碼編譯器在Matlab/Simulink軟件中將該模型轉(zhuǎn)化為Twin⁃CAT可識(shí)別的代碼。
打開升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的上位機(jī)控制界面，該程序采用Labview編寫。點(diǎn)擊“啟泵”，啟動(dòng)液壓泵，系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)自動(dòng)進(jìn)行星-三角啟動(dòng)，待液壓泵啟動(dòng)完成后，開啟高低壓電磁閥，使能二次單元等一系列操作。待系統(tǒng)啟動(dòng)后將模式控制旋鈕旋到手動(dòng)模式，控制二次單元將負(fù)載向上吊起一定的高度，然后運(yùn)行六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)操作軟件，輸入需要模擬的波浪數(shù)據(jù)，六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)便會(huì)根據(jù)給定波浪數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先下放負(fù)載至一定高度，然后復(fù)位六自由度平臺(tái)，再將負(fù)載完全下放至地面后關(guān)閉液壓油泵。學(xué)生應(yīng)當(dāng)將在三組波浪數(shù)據(jù)下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄下預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，并和原始波浪數(shù)據(jù)作比較，分析算法的預(yù)報(bào)效果。
四、鋼絲繩動(dòng)態(tài)伸長量狀態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)
（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
鋼絲繩的伸長量為動(dòng)態(tài)伸長量與靜態(tài)伸長量之和。由于其動(dòng)態(tài)伸長量不能被直接測量，需要設(shè)計(jì)合適的狀態(tài)觀測器。狀態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)的目的在于設(shè)計(jì)出合適的狀態(tài)觀測器以觀測鋼絲繩的動(dòng)態(tài)伸長量。該實(shí)驗(yàn)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，要求學(xué)生能夠靈活利用所學(xué)到的現(xiàn)代控制理論的知識(shí)，從而充分鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。
（二）實(shí)驗(yàn)原理
為設(shè)計(jì)鋼絲繩的動(dòng)態(tài)伸長狀態(tài)觀測器，有必要建立鋼絲繩負(fù)載系統(tǒng)模型。將鋼絲繩負(fù)載系統(tǒng)等效為彈簧-質(zhì)量-阻尼模型，將鋼絲繩的伸長分為動(dòng)態(tài)伸長量Δld和靜態(tài)伸長量Δls，令負(fù)載在垂直方向上的位移為xl，xl0是負(fù)載初始位移，xh是吊鉤綜合位移。M為負(fù)載貨物質(zhì)量，m為鋼絲繩單位長度質(zhì)量，l為鋼絲繩長度，k為鋼絲繩彈性系數(shù)，θm為二次單元轉(zhuǎn)動(dòng)角度，i為減速器的傳動(dòng)比，R為絞車滾筒的半徑，xh為吊鉤在垂直方向上的綜合升沉位移。y ̂為作用在鋼絲繩上的拉力的估計(jì)值，L作為反饋校正矩陣，可通過零極點(diǎn)配置得到。
（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
學(xué)生應(yīng)預(yù)先狀態(tài)觀測器的相關(guān)工程控制知識(shí)，利用Matlab軟件進(jìn)行該狀態(tài)觀測器的M程序的編寫，在編寫過程中學(xué)生應(yīng)當(dāng)自行配置反饋校正矩陣L。教師應(yīng)預(yù)先給出一組波浪數(shù)據(jù)，而學(xué)生可利用該數(shù)據(jù)設(shè)定不同的負(fù)載質(zhì)量進(jìn)行仿真，比較收斂效果。在經(jīng)教師許可之后，學(xué)生可將自己的編寫好的狀態(tài)觀測器程序上傳到工控機(jī)中，在教師或者相關(guān)工程人員指導(dǎo)之下轉(zhuǎn)化為TwinCAT可識(shí)別的程序，學(xué)生應(yīng)按照在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)中的操作啟泵、使能并運(yùn)行二次單元、提升負(fù)載、初始化和啟動(dòng)六自由度轉(zhuǎn)臺(tái)。工控機(jī)會(huì)接收銷軸式力傳感器所發(fā)送回來的張力數(shù)據(jù)，在經(jīng)過程序的濾波以及比例放大處理之后，用作狀態(tài)觀測器的鋼絲繩動(dòng)態(tài)伸長量的觀測。同樣，學(xué)生應(yīng)當(dāng)在多個(gè)浪高下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)出動(dòng)態(tài)伸長量觀測數(shù)據(jù)，以及負(fù)載速度、鋼絲繩張力以及升沉方向上的位移等數(shù)據(jù)，分析觀測器的觀測效果。
五、主動(dòng)升沉補(bǔ)償綜合實(shí)驗(yàn)
（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>
該實(shí)驗(yàn)的目的在于通過將前二實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的算法相結(jié)合，并運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，進(jìn)行主動(dòng)升沉補(bǔ)償。將階段性成果運(yùn)用到實(shí)際的工程實(shí)踐中，讓學(xué)生能夠?qū)σ话愕目蒲羞^程有所了解，為之后的深造打下基礎(chǔ)。此外，該實(shí)驗(yàn)具有的趣味性讓學(xué)生在接觸輪機(jī)工程前沿的同時(shí)極大地激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣。
（二）實(shí)驗(yàn)原理
為升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)框圖，通過三環(huán)控制器分別控制由外而內(nèi)的負(fù)載位置環(huán)、二次單元速度環(huán)、以及閥控液壓缸位置環(huán)。
（三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
由于建立模型的工作較為復(fù)雜，工作量也較大，因此教師直接給出系統(tǒng)的Matlab/Simulink模型。由學(xué)生自行結(jié)合波浪預(yù)報(bào)算法以及設(shè)計(jì)出的狀態(tài)觀測器，利用教師所給出的三組不同浪高的波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。向教師上交程序和仿真結(jié)果。在經(jīng)教師許可之后，在工控機(jī)中備好的TwinCAT程序中添加在線波浪預(yù)報(bào)程序和動(dòng)態(tài)伸長量狀態(tài)觀測程序，然后在教師或者相關(guān)工程人員指導(dǎo)下按照在線波浪預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)中相同的操作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
學(xué)生應(yīng)當(dāng)利用上位機(jī)界面記錄下補(bǔ)償開始前與補(bǔ)償開始后的負(fù)載的實(shí)際位移、補(bǔ)償位移以及鋼絲繩張力等數(shù)據(jù)，并結(jié)合給出的三組的波浪數(shù)據(jù)，分析預(yù)報(bào)算法以及狀態(tài)觀測器的有效性，同時(shí)根據(jù)浪高的不同，分析波浪預(yù)報(bào)的效果和觀測器對于補(bǔ)償效果（負(fù)載的位置相對于錨定點(diǎn)的偏移，鋼絲繩張力的波動(dòng)大?。┑挠绊憽?/p>
六、結(jié)束語
實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校理工類課程的重要組成部分，是將所學(xué)知識(shí)和實(shí)際問題相結(jié)合的重要途徑[7]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中融合一些前沿性的內(nèi)容，使學(xué)生能夠接觸到前沿科學(xué)的相關(guān)概念和技術(shù)，這樣不光能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到本學(xué)科相關(guān)專業(yè)知識(shí)，對培養(yǎng)學(xué)生的科研思維，鍛煉其科研能力也大有裨益。本文所設(shè)計(jì)的基于主動(dòng)升沉補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)立足于建設(shè)創(chuàng)新型國家的發(fā)展核心戰(zhàn)略，著眼于我校的輪機(jī)工程專業(yè)對本科人才和研究生的培養(yǎng)目標(biāo)，讓學(xué)生充分接觸并了解輪機(jī)工程的前沿領(lǐng)域，且在實(shí)驗(yàn)過程中兼顧了理論教學(xué)和實(shí)踐訓(xùn)練，對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提高起到了重要作用。
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作者：吳金波 張煌 郭睿文 李維嘉 單位：華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院